中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員王立平和副研究員魯志斌帶領(lǐng)的研究小組近期在高真空環(huán)境氟化非晶碳基薄膜的失效本質(zhì)和延壽方面取得新的突破。

　　目前，我國空間機(jī)械裝備對運(yùn)動機(jī)構(gòu)提出了比以往更加苛刻的高精度、高可靠、長壽命等方面的性能要求。由于其在高真空環(huán)境下優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，氟化非晶碳基薄膜是高真空環(huán)境下理想的固體潤滑薄膜材料。但是氟化非晶碳基薄膜在高真空條件下摩擦過程中通常表現(xiàn)為瞬間突然磨損失效，且迄今為止，這種磨損失效的本質(zhì)機(jī)制仍不清楚，其磨損壽命根本無法滿足高可靠和超長壽命的苛刻要求。

　　蘭州化物所研究小組和烏普薩拉大學(xué)教授Jansson課題組針對氟化碳基薄膜高真空摩擦失效本質(zhì)及延壽機(jī)制開展了系列理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。3篇研究論文相繼發(fā)表在近期出版的Scientific Reports (2015, 5, 9419 和 2015, 5, 11119以及2015,5,12734)上。

　　高真空環(huán)境下，非晶碳基薄膜材料的摩擦學(xué)行為和摩擦接觸界面處原子尺度的信息密切相關(guān)，然而在原子尺度下原位觀察摩擦行為極為困難。運(yùn)用第一性原理計(jì)算和分子動力學(xué)模擬能夠掌握并理解原子尺度細(xì)節(jié)，因此是在原子尺度下深入理解氟化非晶碳基薄膜材料摩擦機(jī)制的有效工具。利用第一性原理計(jì)算和分子動力學(xué)方法，結(jié)合壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，該課題組第一次確認(rèn)在高真空條件下塑形變引起的石墨化產(chǎn)生的接觸界面間的強(qiáng)粘著直接導(dǎo)致了薄膜的本質(zhì)失效。此外，課題組設(shè)計(jì)的真空下氟化非晶碳基薄膜摩擦模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該薄膜在高真空中的本質(zhì)失效機(jī)制是石墨化引起的界面之間的強(qiáng)粘著，和計(jì)算預(yù)測結(jié)果相一致。進(jìn)一步的研究表明摩擦界面的C-F鍵和C-C鍵對周圍的應(yīng)力場分布和化學(xué)環(huán)境非常敏感，當(dāng)施加應(yīng)力或改變對偶材料的成鍵狀態(tài)時，與摩擦密切相關(guān)的界面電荷分布發(fā)生明顯改變，導(dǎo)致界面C-F鍵和C-C鍵的鍵長和鍵能發(fā)生相應(yīng)變化，從而影響界面的穩(wěn)定性和粘著相互作用。

　　在此基礎(chǔ)上，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了氟化非晶碳基薄膜在高真空條件下的超長磨損壽命設(shè)計(jì)和可控制備。通過成分設(shè)計(jì)和多層界面微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，研究人員成功設(shè)計(jì)制備了具有低內(nèi)應(yīng)力的氟化非晶碳基薄膜，通過摩擦界面調(diào)控原位生成熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的FeF2納米晶摩擦膜，避免了摩擦界面之間強(qiáng)的粘著，該非晶碳基薄膜在高真空下表現(xiàn)出低摩擦和超低磨損等優(yōu)良的摩擦學(xué)特性。這為進(jìn)一步拓展碳基薄膜在空間技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了扎實(shí)的理論和材料體系基礎(chǔ)。

　　上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金和甘肅省杰出青年基金以及中科院卓越青年科學(xué)家培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。